活性炭的電容去離子特性

　　由于水污染的蔓延，水資源短缺已成問題。從受污染的廢水中獲得清潔的淡水需要海水淡化技術(shù)。水處理廠已采用反滲透(RO)、電滲析和熱蒸發(fā)等脫鹽工藝。由于這些海水淡化技術(shù)消耗大量能源，其處理成本普遍較高。因此，電容去離子作為一種節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的海水淡化技術(shù)，近年來備受關(guān)注。對于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，經(jīng)常用于水處理過程的顆�；钚蕴恳矟M足作為電容去離子電極的表面積要求。在這項(xiàng)研究中，通過實(shí)驗(yàn)研究了將活性炭用于電容去離子電極的可能性。

　　電容去離子單元

　　使用活性炭作為電極的電容去離子電池的結(jié)構(gòu)在圖1顯示。該電池由兩個(gè)集電器、一個(gè)隔板和粒狀活性炭組成。這些組件按照下集電器、活性炭、隔板、活性炭和上集電器的順序堆積。上下集電器有出水口和進(jìn)水口。石墨片和由纖維素制成的濾紙分別用于集電器和隔膜。對于活性炭電極，本研究中使用了椰殼活性炭�；钚蕴康牧�徑范圍為0.5～1.7mm。使用壓縮活性炭顆粒的電池壓降約為4kPa。在之前的研究中，傳統(tǒng)電容去離子電池的壓降為138-276kPa(20-40psi)。假設(shè)壓縮的活性炭比傳統(tǒng)CDI電池的粉末碳層多孔。因此，預(yù)計(jì)使用壓縮活性炭的CDI單元的進(jìn)料泵比傳統(tǒng)CDI單元消耗的能量要少得多。

　　圖1：(a)使用活性炭作為電極的CDI電池的結(jié)構(gòu)和(b)單程模式下CDI設(shè)備的示意圖。

　　單程模式下的連續(xù)操作循環(huán)

　　使用圖1所示的CDI單元進(jìn)行連續(xù)操作。流入溶液是10mM NaCl aq。流入溶液的流速和在CDI池中的停留。在吸附步驟中，施加2.0V的恒定電壓90分鐘。在解吸步驟中，將電池電壓短路120分鐘，此時(shí)流出物的電導(dǎo)率幾乎與流入物的電導(dǎo)率相同。進(jìn)行四次吸附/解吸循環(huán)。為了評估每個(gè)循環(huán)的鹽吸附容量，在每個(gè)單獨(dú)的吸附/解吸循環(huán)中測量處理過的水箱和濃縮水箱中的Na+、Cl-濃度。

　　有壓和無壓除離子

　　離子去除實(shí)驗(yàn)中有無壓力時(shí)電導(dǎo)率的時(shí)間變化如圖2(a)所示。在1.2V施加壓力(677kPa)的情況下，出水電導(dǎo)率迅速下降至0.73mS/cm，并在0.83mS/cm左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。另一方面，當(dāng)沒有對電極施加壓力時(shí)，流出物電導(dǎo)率保持在1.1mS/cm的初始值附近。離子去除實(shí)驗(yàn)中Na+和Cl-濃度隨壓力(677kPa)的時(shí)間變化也如圖2(b)所示。由于Na+和Cl-濃度以與電導(dǎo)率相同的方式下降，認(rèn)為電導(dǎo)率變化歸因于Na+和Cl-離子的去除，并且在低于水電解理論電壓(+1.23V)時(shí)沒有發(fā)生水電解。

　　圖2：在離子去除實(shí)驗(yàn)(電壓1.2V，活性炭厚度10mm，進(jìn)水10 mM NaCl aq，壓力677kPa)期間，電導(dǎo)率和(b)Na+和Cl-濃度隨時(shí)間的變化(a)。

　　外加電壓對充電效率的影響

　　通過對活性炭層施加壓力，在1.2V時(shí)顯著提高了離子去除率。進(jìn)一步研究了施加電壓對鹽吸附容量、電荷和充電效率的影響，以最大限度地提高CDI電池的性能，使用壓縮活性炭而沒有水電解。即使施加的電壓高于1.23V，由于電化學(xué)反應(yīng)的過電位和/或水溶液中的歐姆降，也不一定會(huì)發(fā)生水電解。當(dāng)施加2.0V電壓時(shí)，分別評估電池或水溶液中的歐姆降。根據(jù)測得的電流和無水溶液電池的電阻，估計(jì)無水溶液電池的歐姆降約為0.04V。然后，根據(jù)測得的電流和溶液的電導(dǎo)率，水溶液的歐姆降發(fā)現(xiàn)溶液約為0.70V。如果包括CDI電池隔膜和電化學(xué)反應(yīng)活化電位的影響，則表明本研究中使用活性炭的CDI電池具有超過0.74V的過電壓。因此，很可能在高于2.0V時(shí)開始發(fā)生水電解。

　　活性炭的電容去離子特性在這項(xiàng)研究中，我們研究了將活性炭用于電容去離子電極的可能性�？紤]到取決于電極材料和電池構(gòu)成的歐姆降，還通過實(shí)驗(yàn)評估了適用于具有壓縮活性炭的CDI電池的施加電壓。通過對活性炭電極施加壓力，電阻是電容去離子脫鹽的一個(gè)重要因素，因?yàn)榛钚蕴繉拥碾娮韬突钚蕴款w粒之間的接觸電阻都顯著降低。本研究中CDI電池的離子去除有效。當(dāng)對活性炭電極施加壓力時(shí)，發(fā)現(xiàn)充電效率與現(xiàn)有的CDI電池相當(dāng)。

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